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    专家特稿
    摘要:
    近年来,人们对飞机噪声的要求越来越严苛,适航标准对民用客机气动噪声水平提出更高的标准。首先介绍近年来在北京航空航天大学陆士嘉实验室D5气动声学风洞和D7气动声学风洞中所进行的多个典型气动噪声研究成果,其次以增升装置、起落架、腔体部件和钝体部件为研究对象,探究气动噪声产生机理和降噪技术,为提高该领域的认知和低噪声飞机机体设计提供科学依据和试验数据。
    本期专栏:陆士嘉实验室气动声学研究进展
    摘要:
    通过数值模拟的方法研究了在方柱前缘分离点处施加垂直来流速度方向的吹气控制下,方柱的气动噪声特性。对零度迎角下三维方柱进行了流场和声场特性研究,在固定吹气速度3 m/s和固定吹气速度比(吹气速度/来流速度=0.1)的控制条件下改变来流速度大小的情况,探究吹气降噪机理和吹气控制效果。
    摘要:
    随着机体噪声逐渐成为民机降噪的关键,作为典型气动噪声源的翼型噪声是未来更低噪声民机必须关注的部分。中低雷诺数下尾缘离散噪声存在阶梯的频率速度关系、层流要求以及偶极子噪声等特征,其噪声机理涉及稳定性理论和反馈回路。尽管尾缘噪声的产生出现和强度都得到比较广泛的研究,但尾缘噪声的空间分布研究尚不充分。基于二维平面麦克风阵列,小波系数和CLEAN-SC算法对于尾缘噪声进行时频域分析。实验在北航D5气动声学风洞进行,使用Kevlar布构成的闭口实验段对于300 mm的NACA0012翼型进行噪声研究。通过实验中发现的固定频率范围内存在强度维持现象,基于小波分析拆解出对应的空间时域上声源强度的位置间歇性移动,提供可能存在的反馈回路内部更为复杂噪声机理的依据。
    摘要:
    空腔噪声为气动噪声领域中重要的一部分,声衬作为一种有效的降噪措施,其原理为微穿孔板吸声体,即多个亥姆霍兹共鸣器并联,通过激发背腔共振吸收声能。声衬的吸声效果受到多个结构参数的影响,针对低速空腔气动噪声问题,通过微穿孔板吸声体原理对声衬进行多参数混合设计,并将其加装到空腔中,对比加装声衬前后空腔噪声的频谱特性,评估声衬在空腔噪声问题中的降噪效果,分析加装声衬对空腔噪声的自激振荡及声共振产生的影响。
    摘要:
    起落架噪声作为现代大型飞机机体噪声在起降阶段的主要贡献成分,其噪声机理较为复杂,涉及到钝体湍流涡脱落噪声、腔体部件空腔噪声以及起落架舱腔体与支柱柱体之间的非线性耦合噪声。由于起落架中存在复杂的三维流场以及声波的反射和绕射会产生噪声,而二维麦克风阵列在垂向的分辨率较差,无法获得声源完整且准确的三维空间分布信息,因此采用三维麦克风阵列技术对起落架噪声进行研究。使用3D Beamforming算法(波束成形算法)和3D CLEAN-SC算法(空间相干的洁净算法)结合同步测量和非同步测量的方式实现了对模拟信号和实际测量数据所得频谱中特定的离散声进行声源识别定位,并在北航D5低速风洞进行开口段气动噪声实验,以1/2缩比的LAGOON起落架为研究对象,在过顶和流向方向布置两组平面阵列,构成三维阵列进行同步和非同步的噪声测量,确定了起落架中主要噪声源的位置,对认知噪声机理提供了新的借鉴和思考。
    摘要:
    随着航空公司短途航线由涡扇发动机转向涡轮螺旋桨发动机,以及机场周边噪声污染的限制越来越严格,商用螺旋桨飞机的声学特征正成为关键的设计参数。为研究螺旋桨的气动性能和声学特性,以某型涡桨飞机六叶螺旋桨为研究对象,在北京航空航天大学沙河校区D5气动声学风洞开展实验研究。实验中对螺旋桨在固定桨叶角设置和旋转速度条件下不同来流风速的组合工况进行测量,以获取不同工况下螺旋桨的天平测力数据和远场声压信号,经过快速傅里叶变换得到来流速度对螺旋桨远场噪声的影响规律。实验结果表明:在较大来流条件下离散部分噪声能激发出更高阶的谐波噪声,各阶谐波噪声幅值随着谐波数增大逐渐降低;当风速较低时宽频噪声声压级增大,这是由于在低前进比条件下,叶片处于失速状态,拉力系数处于非线性段,与叶片表面复杂流场引起的湍流噪声增加有关。通过指向性分析可知,位于桨盘上游位置的总声压级水平大于桨盘下游位置的总声压级水平,主要是因为螺旋桨桨盘前后的相对速度发生了变化,导致了声传播距离的延迟和加速现象。
    摘要:
    在飞机的起飞着陆过程中,机体噪声是主要的噪声源,后缘襟翼侧缘噪声作为机体噪声的重要组成部分之一,其降噪技术的发展一直受到广泛关注。采用分离涡(Detached Eddy Simulation)湍流模型模拟襟翼侧缘的非定常流场,分析并探究了襟翼侧缘流场中双涡结构的产生及其演变过程的主要特征。基于上述结果,采用了被动流动控制法,在襟翼侧缘加装最大高度为一倍襟翼厚度的不规则挡板结构,应用FW-H方法计算了远场噪声频谱特性以及指向性并分析了与基准构型的差别,探究了加装襟翼挡板结构后对流场以及声场特性的影响。模拟结果表明,加装挡板结构对襟翼的气动特性影响较小,挡板结构改变了侧缘的流场形态和侧缘涡的结构,延迟了侧缘涡系的发展进程,使得涡系的融合位置后移,涡系融合破裂产生脉动压力的区域远离襟翼吸力面,从而达到降低噪声的效果。此外,加装挡板结构后,噪声仍然具有一定的偶极子指向特性,偶极子轴垂直于襟翼弦线,在襟翼的大部分方位噪声幅值降低1 dB~4 dB,降噪效果主要体现在中高频段的宽带噪声。
    摘要:
    由钝体绕流产生的气动噪声可以通过在物体表面覆盖软性多孔材料得到降低。为了证实这种方法的有效性,在北京航空航天大学D5气动声学风洞中,对不同直径圆柱表面覆盖软性多孔材料,在不同风速范围下开展了气动声学测量实验,并利用恒温热线测速仪对其后缘尾迹流场进行了测量。结果显示,通过在圆柱表面覆盖软性材料,可以降低由圆柱产生的气动噪声,流场结果表明软性材料延长了圆柱后缘尾迹,抑制圆柱后缘涡脱落。
    摘要:
    将共轴对转螺旋桨气动噪声快速预测理论与气动载荷快速预测方法相结合,对共轴对转螺旋桨远场气动噪声进行预测。分析了BWI辐射效率对共轴对转螺旋桨BWI干扰噪声的主控影响。对从低至高的(单排6-12)前后等桨叶数对转桨进行了研究。结果表明虽然低桨叶数与高桨叶数对转桨的气动噪声特性不同,但是总体上前后指向性的高声压区仍然是由BWI噪声控制。同时等桨叶数的设计只是使高声压区更集中,却无法对其进行降低。随后,对比了不同桨叶数共轴对转螺旋桨远场气动噪声的表现,认为不等桨叶数对转桨气动噪声普遍优于等桨叶数情况。得出了总桨叶数相同情况下对转桨前后桨叶数的搭配方案。对近场噪声高精预测方法将在未来的研究中对辐射效率的具体机理进行研究。
    摘要:
    随着航空运输业的蓬勃发展,飞机的噪声污染受到越来越多的关注。在大型飞机起降阶段,增升装置作为主要的机体部件,其辐射出的噪声量级已经占据飞机总体噪声的很大一部分,是未来飞机能否进一步降低噪声达到适航标准的关键性因素。针对增升装置多段翼型30P30N的气动噪声问题进行实验研究,实验在北航D5气动声学风洞中开展,使用Kevlar布和穿孔板对实验段进行了气动声学改造,以满足透声不透气的气动声学实验要求。通过远场传声器和麦克风阵列测量得到30P30N模型的远场气动噪声特性和定位主要声源位置,引进小波变换的信号分析方法得到噪声的时频特性,全面揭示多段翼型的气动噪声产生机理。
    摘要:
    随着航空工业的发展,钛合金在航空结构中有着越来越广泛的应用。焊接作为重要的连接手段,其制造接头的力学性能决定了构件的使用性能。激光焊接具有高能束焊接方法热输入小、残余应力及变形小的特点,焊接质量高,并且能在开放环境中开展工作,已成为真空电子束焊接外另一种优秀的钛合金焊接方法,是近年研究的热点。总结了近期钛合金激光焊接的一些研究工作,重点介绍了关于激光焊接钛合金组织性能调控方面的成果,并讨论了钛合金激光焊所存在的问题,具体内容包括:激光类型和扫描方式对接头质量的影响、三种典型(α型、α+β型和β型)钛合金激光焊接头组织性能特点、焊后热处理对钛合金激光焊接头组织性能调控方法。为采用激光焊接方法制造高质量钛合金接头研究工作提供参考。
    摘要:
    与外加颗粒法相比,原位自生法制备的颗粒尺寸小、表面干净且与基体界面结合强度高,使得铝基复合材料具有高比强度、高比模量以及良好的强塑性匹配等优势。因此,原位自生铝基复合材料是航空航天结构件轻量化设计的理想材料之一。从原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料制备、组元配比优化设计、性能与强韧化机制等三个方面总结其研究现状,同时梳理了原位自生TiB2颗粒增强铝基复合材料存在问题与未来发展方向,以期望促进原位自生铝基复合材料在民航客机等航空高端领域快速发展。
    摘要:
    喷丸成形技术利用特定能量源产生冲击压力,在壁板表层深度方向引入非均匀分布的塑性应变,是一种柔性冷加工塑性成形技术,适用于大尺寸复杂型面整体壁板的成形制造。对喷丸成形的工艺建模方法、工艺规划方法两个方面进行了综述;梳理了喷丸成形数值模型的发展历程,分析了固有应变模型在喷丸成形模拟中的显著优势;对喷丸成形工艺规划方法进行综述,介绍了传统工艺规划途径,指出其无法适应现代工业发展需求的原因,对基于数值模型的工艺规划进行了回顾,分析研究成果存在的问题与难点并提供解决思路,试图为喷丸成形技术未来发展的研究与工程应用提供参考与借鉴。
    本期专栏:航空金属材料与先进制造技术
    摘要:
    随着我国航空航天领域器械的飞速发展,对该领域中结构件所用材料的综合性能及轻量化提出了新的要求。在过去几十年里,大型客机的市场需求不断扩大,刺激了新型材料的兴起,使材料向着高性能,轻质量发展。纤维金属层板是由铝合金与纤维预浸料交替铺层固化而成的层间混杂复合材料。纤维金属层板结合了金属与复合材料的优良特性,具有密度小、损伤容限优良、抗冲击和疲劳性能,越来越受到航天航空和轨道交通领域的关注。目前用于商业生产的金属纤维层压板(FMLs)多以基于芳纶纤维(ARALL)与基于高强玻璃纤维(GLARE)的层板为主。概括了纤维金属层板的制备前表面处理工艺,对其弯曲测试、拉伸测试、冲击测试和疲劳测试等力学性能的测试方法进行综述,同时对未来新型纤维金属层板的开发进行探究,为纤维金属层板的开发提供参考信息。
    摘要:
    损伤是航空结构件加工制造与服役中的共性问题。以微观损伤机制与损伤预测模型为主要关注点,论述了典型航空用铝合金、钛合金中损伤形核、扩展的影响因素以及宏观、细观尺度损伤断裂的预测方法。对于塑性成形过程,以受力状态为切入点,阐述了不同应力状态下损伤演化的差异性,介绍了基于应力状态损伤模型在航空材料中的应用。对于疲劳损伤问题,总结了不同体系合金中的微观影响因素,如第二相颗粒、晶体取向等,讨论了疲劳预测方法在航空用铝合金、钛合金中的应用。将局部应力应变集中归纳为损伤萌生、扩展的外因,而材料内部缺陷、界面等为内因,塑性变形、疲劳过程的损伤累积均为内、外因综合作用的结果。通过归纳损伤机制研究进展与问题,分析宏、细观预测方法的优缺点,提出以共性规律与通用性预测方法为重点的发展方向。
    摘要:
    轻量化材料与结构是现代航空航天工业的发展方向。铝锂合金密度小,比强度、比弹性模量高,是理想的航空航天材料。采用超塑成形/扩散连接工艺成形的空心夹层结构零件具有整体性好、设计自由度大、成形精度高、无残余应力等优点,而且能够大幅减重、降低成本,广泛应用于航空航天领域。针对航空航天领域对新一代复杂多层结构件整体化和轻量化的迫切需求,回顾了国内外铝锂合金的发展历程,介绍了国内外铝锂合金超塑成形、扩散连接以及超塑成形/扩散连接组合技术的发展现状及其在航空航天领域的应用,指出铝锂合金表面致密稳定氧化膜是阻碍其扩散连接接头质量提升的瓶颈问题,讨论去除铝锂合金表面的氧化层以及防止新的氧化层再生的相关工艺与机理,最后展望了铝锂合金超塑成形/扩散连接技术在航空航天领域的应用前景以及未来研究方向。
    适航审定
    摘要:
    民用飞机辅助动力装置(简称APU)安装在飞机后机身APU舱内。APU舱作为民用飞机适航审查过程中的指定火区,需要经过严格的防火密封性验证。确保APU舱火区内可能发生的火灾危险不会传播到飞机的其他区域,影响到APU系统乃至整个飞机的安全运行。APU系统通过进气系统穿越APU舱防火墙与外界大气连通,为APU正常工作提供新鲜空气。进气系统穿越防火墙对APU舱的防火密封能力提出了很大考验。民用飞机适航审定也对APU进气系统防火性能提出了详细的适航条款要求。从APU进气系统防火适航条款解读入手,通过某型民用飞机APU进气系统防火适航审定实例,对进气系统防火从设计角度进行了研究,并且对适航审查时需要重点关注的防火密封区域进行了试验研究。
    摘要:
    大气扰动是影响航空安全的重要因素,在适航条例中多有涉及,对民用飞机进行大气扰动适航符合性评估是民机适航取证的重要一环。基于我国《运输类飞机适航标准》,筛选归纳大气扰动适航条例,深入分析、细化其中与飞机操稳特性相关的大气扰动适航条款要求,依据美国军用飞行品质规范MIL-STD-1797A提炼并量化条款指标,使用操纵品质等级评定方法(HQRM),以严重程度与发生概率相关联的形式考虑大气扰动影响,通过算例验证量化指标与HQRM方法在进行相关适航条款符合性评估中的适用性和有效性,提出一种将大气扰动定义为使飞行品质降级的因素,结合量化指标对飞机相应飞行品质要求做出规定的评估形式,为飞机研制阶段的大气扰动适航符合性分析验证和相关条款的适航审定工作提供参考。
    摘要:
    退役民用飞机的拆解与循环利用是民用飞机产业链的重要一环,我国的民用飞机拆解行业属于刚刚起步阶段,还未建立一套系统的、完善的民机拆解和循环利用行业顶层标准规范。中国民航局近年刚刚发布了针对民用飞机拆解的咨询通告,用以规范飞机拆解单位的拟返回使用的零部件拆解活动,促进国内整个飞机拆解行业的发展,保证二手航材使用的安全性。结合对CCAR-145部、AC-145-017《民用飞机拆解》以及其他相关咨询通告的研究,总结了飞机拆解相关的适航要求,包括对可拆解民用飞机的要求及过程管理、对可拆解民用飞机企业的要求等内容。适用于向航空运营人提供拆解件返回使用而开展的民用飞机拆解活动,为后续规划建立国内民机拆解和循环利用行业顶层标准规范提供必要的输入。
    基础理论
    摘要:
    将ACTECH?1210/SW220D自粘性透波环氧预浸料与Nomex蜂窝粘接,制备蜂窝夹层结构,采用滚筒剥离强度表征其粘接强度,研究不同固化工艺参数对粘接强度的影响规律。制备蜂窝夹层结构过程中,对加压时机、组装方式、施加压力大小等关键工艺参数进行了研究。实验结果表明,ACTECH?1210/SW220D预浸料与Nomex蜂窝粘接质量良好,滚筒剥离强度可达57 (N·mm)/mm。使用上下盖板组装对于粘接强度的提高有积极作用,相比于仅用下盖板的组装方式,上下盖板组装的夹层结构滚筒剥离强度提高了98.3%。热压罐成型工艺与模压成型工艺均适用于蜂窝粘接,对于热压罐成型工艺,在起始温度至65℃范围内加压较为适宜,对于模压成型工艺,在起始~100℃范围内加压较为适宜,施加压力范围可选择0.3 MPa~0.4 MPa。综合结果表明,采用ACTECH?1210/SW220D自粘性预浸料与蜂窝粘接,可以制备粘接强度良好的蜂窝夹层结构。
    摘要:
    采用Python语言开发了复合材料层压板连接快速建模程序,通过人机交互实现自动建模,参数化建模程序可以对层压板单层厚度、铺层顺序、铺层角度、螺栓直径及排列形式、螺栓边距端距等参数进行设计分析。讨论有限元软件ABAQUS与Python语言的接口及命令调用方式,通过RSG编写GUI界面,从而大大简化用户的操作过程。通过Fortran语言开发了用户自定义材料子程序,实现材料失效判据及刚度退化的二次开发,并嵌入快速建模程序中,实现复合材料层压板连接强度分析参数化建模。有限元分析与试验验证相结合,对比分析失效模式及破坏载荷,误差在10%以内,工程上认为误差可接受,表明模型建立的合理性。本文的工作为复合材料层压板连接强度分析有限元前处理建模提供了有价值的参考。
    摘要:
    回顾了国内外复合材料热特性相关领域的研究,梳理了这些研究的相似点和不同点,并指出了研究方向存在的空缺和不足,尤其是在适航层面研究的部分缺失。试验件为复材壁板和隔音棉相关衍生结构,并根据CCAR-25-R4和GB/T10671-2008固体材料产烟的比光密度试验方法,系统测试了复合材料、隔热隔音棉及其组合衍生构型的发烟特性,分析了隔热隔音棉对发烟特性的影响,探讨了现有适航条款及符合性验证方法的适用性。结果表明:复合材料机身壁板和隔热隔音棉衍生构型能够满足当前适航条款验证方法提出的符合性判据,隔热隔音棉有效降低了复材壁板的烟比光密度和烟气释放速率。
    摘要:
    飞机研制单位缺乏对飞机系统综合设计内容的全局了解导致无法提前开展有效的工作规划,研制后期综合设计主题的产生呈现出涌现性,经常需要返工并打乱研制计划,造成成本和进度问题。为解决这个问题,对工程中的飞机系统综合设计进行了综述,提出了基于系统工程的飞机系统综合设计流程,并对飞机系统综合设计内容进行了全面推演,首先识别利益攸关方期望的运行概念,然后提炼综合设计目标,最后识别飞机级综合设计内容主题及其关联技术专业;根据竞争能力等关键衡量指标,指出了最为关键的综合设计主题和相关难点。可以为飞机研制单位及其系统综合设计工程师提供有益参考,帮助其开展整机系统综合设计的全局规划,并最终实现降本提质的目标。
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    《民用飞机设计与研究》
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